全雙工D2D通信關(guān)鍵技術(shù)及進展

丁家昕，馮大權(quán)，錢恭斌，張楠

（1.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037；2.深圳大學(xué)，廣東 深圳 518060）

1 引言

21世紀，以智能通信終端為代表的電子信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，手機已成為人們生活的必備產(chǎn)品。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，截至2017年底，全球蜂窩移動通信用戶數(shù)已高達77億，滲透率為103.5%，遠超固定電話和固定互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入的滲透率。工業(yè)和信息化部的數(shù)據(jù)也顯示[2]，在2017年，隨著4G的大規(guī)模商用，我國的移動互聯(lián)網(wǎng)接入流量消費高達246億吉比特，全年每月戶均移動互聯(lián)網(wǎng)接入流量達到1 775 MB，其中通過手機上網(wǎng)的流量占到總流量的95.6%。然而不斷增長的用戶數(shù)量以及人們對更高服務(wù)質(zhì)量的追求與有限的頻譜資源的矛盾也越發(fā)突出。據(jù)國家無線電監(jiān)測中心預(yù)測[3,4]：到2020年，根據(jù)現(xiàn)有頻譜規(guī)劃，中國5G頻譜缺口將高達600 MHz。此外，各類應(yīng)用程序特別是視頻、游戲、導(dǎo)航等高耗能業(yè)務(wù)在智能終端的蓬勃發(fā)展，使得移動終端的電池能量消耗日益攀升。然而，由于受到尺寸和內(nèi)部空間的限制，移動終端電池容量往往有限，這嚴重影響了用戶的服務(wù)體驗，阻礙了高耗能業(yè)務(wù)的發(fā)展。因此，未來如何充分利用資源，提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率成為5G網(wǎng)絡(luò)面臨的難題，同時也是目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點[5-7]。

為了解決這些難題，國內(nèi)外研究人員提出了很多方案思路，例如采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和超密集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]，通過大量部署小型基站（small cell）來提高系統(tǒng)容量和用戶服務(wù)體驗。但部署小型基站需要大量資金投入，且選址和維護也是運營商需要面對的難題[9]。而終端直通（device-to-device,D2D）通信技術(shù)[10]，在不需要運營商額外投資的情況下，通過鄰近的節(jié)點，使用授權(quán)頻段、不經(jīng)過基站的中繼而直接進行信息傳輸，提升網(wǎng)絡(luò)性能，受到廣泛關(guān)注[11]。

與此同時，隨著自干擾消除技術(shù)的進步[12-14]，無線同頻同時全雙工通信也引起了研究者的廣泛關(guān)注。相比半雙工通信，全雙工通信能潛在地提升一倍頻譜效率，實現(xiàn)更加靈活的頻譜使用，同時降低端到端時延，因此也被廣泛認為是下一代通信系統(tǒng)中提升無線頻譜效率的重要方向[15-19]。

由于D2D通信中的發(fā)射功率較小，從而避免了待接收的有用信號被自身發(fā)射信號淹沒，這一點對于全雙工通信十分有利[16]。此外，在D2D通信的應(yīng)用中，通常通信雙方要相互交換信息，有著雙向的流量，特別適合進行全雙工通信。因此，二者的結(jié)合吸引了國內(nèi)外眾多研究者的注意[16,19]。

基于同時同頻收發(fā)的全雙工通信可以進一步提升D2D通信的性能，但也給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶來了更加復(fù)雜的用戶間干擾和自干擾[19]，而干擾影響接收信號質(zhì)量，如果不能得到有效控制，會嚴重損害網(wǎng)絡(luò)的總體性能和用戶服務(wù)體驗。因此，D2D資源優(yōu)化配置和干擾管理機制一直是業(yè)界研究的重點[16-20]。

2 全雙工D2D通信的特點及應(yīng)用

與傳統(tǒng)基于基站中繼的通信方式不同， D2D通信允許鄰近的節(jié)點使用授權(quán)頻段直接進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以帶來如下三大增益。

（1）信道增益

與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基站與用戶間的通信鏈路相比，D2D通信鏈路距離短，路徑損耗較小，特別當(dāng)用戶到基站的鏈路處于深度衰落狀態(tài)或通信雙方都處在小區(qū)邊緣時，D2D通信帶來的信道增益就十分明顯。

（2）跳數(shù)增益

不同于傳統(tǒng)的蜂窩基站中繼通信，數(shù)據(jù)從源節(jié)點傳到目的節(jié)點至少需要經(jīng)過上行和下行兩次傳輸。D2D直通鏈路，數(shù)據(jù)只需一跳，便可完成從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸，從而節(jié)約大量的傳輸資源。

（3）復(fù)用增益

D2D直接通信鏈路距離較短，發(fā)射功率小，對與其共享頻譜資源的用戶干擾小。因此，可以與距離較遠的蜂窩用戶復(fù)用頻譜資源，增大資源利用效率，同時也不損害雙方的通信質(zhì)量。

近些年來的研究表明，通過天線隔離技術(shù)以及模擬域、數(shù)字域的干擾消除，全雙工通信可以潛在提升一倍頻譜效率[15-19]。此外，全雙工D2D通信可以最大限度提升用戶收發(fā)設(shè)計的自由度，適合頻譜緊缺和碎片化的多種通信場景。因此，相比于半雙工D2D通信，全雙工D2D通信可以額外帶來雙工增益，從而進一步提升網(wǎng)絡(luò)資源利用效率。

高速率、高連接數(shù)和低時延等指標是5G通信系統(tǒng)的核心性能指標。D2D通信的信道增益有助于提高5G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率；其跳數(shù)增益、復(fù)用增益及雙工增益可節(jié)省大量的傳輸資源，并通過本地通信分流核心網(wǎng)的流量負載，降低擁塞風(fēng)險，有助于接入更多的用戶；而且，信道增益、跳數(shù)增益及雙工增益可以降低信息端到端的傳輸時延。

全雙工D2D通信也有助于實現(xiàn)5G系統(tǒng)高頻譜效率和高能量效率的需求。其信道增益、跳數(shù)增益、復(fù)用增益和雙工增益可提高系統(tǒng)總體頻譜效率并減少用戶的能量消耗，其高效的頻譜利用，可顯著增加接入用戶數(shù)，從而減小未來超密集網(wǎng)絡(luò)中基站的部署密度，降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和成本?？梢?，為實現(xiàn)5G系統(tǒng)高速、可靠、綠色和個性化的服務(wù)愿景，全雙工D2D通信可發(fā)揮重要的作用。

隨著智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備等智能終端的普及和基于用戶地理位置信息業(yè)務(wù)（location based service，LBS）的興起，全雙工D2D通信的應(yīng)用日益廣泛，舉例如下。

· 基于全雙工D2D通信的信息共享：人們可以基于全雙工D2D通信的本地傳輸，利用較短傳輸時延，交換視頻、圖片等多媒體文件及其他社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用信息，改善用戶服務(wù)體驗，同時減輕基站負載。

· 基于全雙工D2D通信的車輛通信：車輛間利用較短的傳輸時延，及時交換路況、車速等信息，提高信息傳輸?shù)臅r效性。

· 基于全雙工D2D通信的中繼傳輸：通過全雙工D2D中繼的幫助，用戶與基站間的傳輸鏈路長度將大大縮短，特別是當(dāng)用戶處于深度衰落環(huán)境下或小區(qū)邊緣時，傳輸速率將有明顯提升。

除了商業(yè)應(yīng)用，全雙工D2D通信還能在緊急救援和公共安全領(lǐng)域發(fā)揮其特有的優(yōu)勢。當(dāng)蜂窩移動通信系統(tǒng)被地震、颶風(fēng)等災(zāi)難事件嚴重破壞時，鄰近終端仍可通過全雙工D2D通信進行信息交互，提高了移動通信系統(tǒng)的頑健性。圖1展示了全雙工D2D通信在這些方面的應(yīng)用。

3 全雙工D2D通信研究現(xiàn)狀

全雙工 D2D通信技術(shù)在為用戶提供高速率、低功耗、低時延的近距離通信服務(wù)的同時，也使蜂窩系統(tǒng)的電磁環(huán)境更加復(fù)雜，從而增加了網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的難度。因此，有效的資源分配機制和干擾抑制技術(shù)是利用好全雙工D2D通信的關(guān)鍵所在，目前的研究工作也主要集中在這一方面。

3.1 全雙工D2D直通通信資源分配

功率控制是簡單有效的干擾控制方法。可以通過限制D2D用戶的最大發(fā)射功率，例如，基于功率裕度（power margin）因子來進行功率分配，從而減小D2D用戶對普通蜂窩用戶的干擾[21,22]。然而在實際的網(wǎng)絡(luò)中，功率裕度因子的設(shè)置是個難題，較大的功率裕度因子值，會使?jié)M足此值的普通蜂窩用戶較少，而較小的功率裕度因子值，又會造成D2D用戶的服務(wù)質(zhì)量下降。參考文獻[23]提出了啟發(fā)式資源分配算法，保證D2D用戶和普通蜂窩用戶的服務(wù)質(zhì)量，但該算法在進行D2D用戶和普通蜂窩用戶的信道配對時，只考慮了用戶的瞬時信道信息，未考慮D2D用戶和普通蜂窩用戶間的功率協(xié)調(diào)，造成實際結(jié)果與最優(yōu)結(jié)果間的巨大差異?；诖耍瑓⒖嘉墨I[24]考慮了多對 D2D 用戶和多個普通蜂窩用戶共享上行鏈路頻譜資源的場景，在保證所有普通蜂窩用戶和可接入網(wǎng)絡(luò)的 D2D用戶最小信干噪比（signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR）前提下，設(shè)計了一個跨層優(yōu)化資源分配算法，該算法以最大化系統(tǒng)總體吞吐量為目標。仿真表明，算法能顯著提高網(wǎng)絡(luò)中 D2D 用戶的接入率和系統(tǒng)總體吞吐量。

圖1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信的應(yīng)用

合理地調(diào)配時域、頻域和空域資源，可以有效地減少用戶間干擾。參考文獻[25]提出利用跳時機制來分散D2D用戶在同一時間上的干擾并減小用戶遠近效應(yīng)；參考文獻[26]提出利用著色理論來避免相互間干擾嚴重的 D2D用戶使用相同的信道；參考文獻[27, 28]利用匹配理論來優(yōu)化D2D用戶和普通蜂窩用戶間的信道配對。在空域方面，參考文獻[29-31]提出干擾限制區(qū)域的概念，通過限制普通蜂窩用戶和D2D用戶間的最小距離，減小相互之間的干擾。此外，還有基于博弈論的資源調(diào)度算法，如參考文獻[32]中提出的第二價格連續(xù)競拍機制、參考文獻[33]中的反向迭代組合拍賣以及參考文獻[34]中的斯塔克爾伯格博弈等。

在D2D通信中，用戶可以采用正交模式、復(fù)用模式和基站中繼模式[35,36]3種不同的傳輸模式進行通信。更多的通信傳輸模式，意味著更多的通信自由度，因此有助于提高網(wǎng)絡(luò)性能。參考文獻[35,36]設(shè)計了以最大化網(wǎng)絡(luò)頻譜效率和能量效率為目標的最優(yōu)模式選擇算法。仿真表明，經(jīng)過最優(yōu)模式選擇的 D2D 通信能顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。

以上這些功率控制算法、調(diào)度機制和模式選擇方案雖然能提高網(wǎng)絡(luò)性能，但大部分研究只考慮D2D通信的半雙工通信模式，全雙工D2D通信的資源分配有待進一步研究。

針對網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D用戶直通通信場景，在參考文獻[37, 38]中，分別給出了最大化網(wǎng)絡(luò)遍歷容量和保障用戶時延服務(wù)質(zhì)量的最優(yōu)功率分配算法，沒有考慮D2D用戶復(fù)用普通蜂窩用戶的資源。參考文獻[39]針對網(wǎng)絡(luò)中多對全雙工D2D通信節(jié)點復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路頻譜資源的系統(tǒng)總體吞吐量最大化問題，提出了基于點著色理論的聯(lián)合時頻資源塊和功率分配方案，仿真結(jié)果顯示該方案能達到近似最優(yōu)的結(jié)果并顯著降低計算復(fù)雜度。參考文獻[40]針對網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信節(jié)點大規(guī)模部署的場景，利用隨機幾何理論分析了網(wǎng)絡(luò)中用戶的中斷概率性能，并指出網(wǎng)絡(luò)中所有D2D用戶都工作在全雙工模式并不是最優(yōu)的選擇。類似地，在參考文獻[41]中，利用隨機幾何理論分析了網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信帶來的吞吐量提升，并提出了動態(tài)蜂窩鏈路保護機制，避免全雙工D2D用戶對普通蜂窩用戶的干擾。值得注意的是，以上參考文獻并沒有涉及多對D2D用戶場景下，聯(lián)合用戶雙工模式選擇、用戶接入控制、功率控制和信道分配的跨層資源分配優(yōu)化方案，因此有待進一步研究。

3.2 全雙工D2D中繼通信資源分配

參考文獻[42]給出了在不同雙工模式下最大化用戶頻譜效率的功率分配策略，但未考慮用戶的QoS要求。參考文獻[43]基于參考文獻[42]中的最優(yōu)功率分配策略，提出了全雙工中繼網(wǎng)絡(luò)中用戶信息傳輸和能量傳輸之間的最佳時間分配策略。參考文獻[44]考慮了用戶的 QoS要求，提出D2D全雙工中繼節(jié)點部分功率用于蜂窩用戶中繼傳輸，部分用于自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)功率分配策略。參考文獻[45]提出了一種基于全雙工D2D輔助協(xié)同的非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）方案，其中弱NOMA用戶在具有全雙工D2D通信能力的強NOMA用戶的幫助下改善中斷性能。但這些文獻僅考慮了網(wǎng)絡(luò)中單個D2D全雙工中繼用戶的場景。參考文獻[46]針對網(wǎng)絡(luò)中存在多組全雙工中繼輔助的 D2D用戶組，提出了基于線性松弛算法的系統(tǒng)吞吐量最大化解決方案。在參考文獻[47]中，針對網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D中繼節(jié)點大規(guī)模部署的場景，利用隨機幾何理論分析了網(wǎng)絡(luò)中用戶的覆蓋概率性能，分析結(jié)果顯示，當(dāng)用戶的目標信干噪比小于5 dB時，全雙工中繼更加有利于提升用戶的覆蓋概率。此外參考文獻[48]概述了在全雙工異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，基于博弈論的用戶資源分配策略。

4 全雙工D2D通信未來研究方向

目前 D2D通信的研究主要集中在半雙工模式，大量研究工作針對D2D通信干擾控制，從功率控制、資源調(diào)度和D2D通信模式選擇等各個方面提出了很多有效的協(xié)議、機制和算法。但應(yīng)注意，全雙工D2D通信的研究還處于起步階段，雖有不少研究成果公開報道，但尚未形成完整的理論和技術(shù)體系，仍有不少關(guān)鍵技術(shù)亟待解決，具體如下。

（1）D2D混合雙工通信跨層優(yōu)化資源分配

在全雙工 D2D直通通信中，對于多對 D2D用戶和多個 CU用戶共享資源的場景，資源分配問題較為復(fù)雜，大量研究對用戶接入控制、功率控制和信道分配等多是分開進行的，而且沒有考慮用戶的雙工模式選擇問題，這樣容易造成設(shè)計冗余。因此一個整體性的跨層設(shè)計方案，聯(lián)合優(yōu)化用戶雙工模式選擇、接入控制、功率分配和信道分配值得進一步研究。

（2）全雙工D2D通信中繼激勵機制

通過全雙工D2D中繼通信，基站到小區(qū)邊緣用戶的傳輸鏈路長度大大縮短，從而提升傳輸速率。然而小區(qū)邊緣用戶傳輸速率的增加是以犧牲D2D中繼用戶的功率或時間等資源為代價的。在實際系統(tǒng)中，由于用戶的電池容量有限，而且在全雙工D2D中繼通信中，用戶因自干擾消除，需要消耗更多的能量。而且現(xiàn)有文獻大部分都假設(shè)D2D用戶愿意為其他用戶服務(wù)。因此，如何設(shè)計合理的用戶激勵機制來驅(qū)動D2D用戶來充當(dāng)其他用戶的中繼，并實現(xiàn)雙方的合作需要進一步研究。

（3）全雙工D2D通信中頻譜效率與能量效率的折中優(yōu)化機制

目前，在全雙工D2D通信無線資源分配的優(yōu)化設(shè)計中，研究者往往固定地以能量效率最優(yōu)或頻譜效率最優(yōu)的方式對系統(tǒng)進行配置，而沒有考慮業(yè)務(wù)需求動態(tài)變化的影響，得到的算法或機制無法在動態(tài)業(yè)務(wù)條件下保證系統(tǒng)性能。例如，在全雙工D2D直通通信中，當(dāng)用戶的傳輸速率要求不高時，D2D用戶可以工作在半雙工模式來滿足用戶需求，以降低系統(tǒng)能耗。在全雙工模式下，用戶由于要進行自干擾消除，需要消耗更多的能量。如果一味地追求頻譜效率，用戶的能量效率就可能受到損失。因此，如何根據(jù)業(yè)務(wù)動態(tài)的特點，研究全雙工D2D通信中的能效與譜效的折中優(yōu)化模型，對系統(tǒng)進行動態(tài)優(yōu)化配置，也有待進一步深入研究。

（4）多小區(qū)環(huán)境下的全雙工D2D通信資源分配

目前研究多集中在單小區(qū)環(huán)境下全雙工D2D通信的資源分配問題。在多小區(qū)環(huán)境下，用戶的資源分配變得更加復(fù)雜。因此，需建立理論模型，針對多小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，設(shè)計更適合于實際系統(tǒng)的算法。

（5）多天線環(huán)境下的全雙工D2D干擾協(xié)調(diào)和資源分配

目前的研究大部分只考慮了基站和用戶單根天線時的干擾協(xié)調(diào)和資源分配，未來的研究應(yīng)著重設(shè)計聯(lián)合空域、時域、頻域和碼域資源的優(yōu)化分配方案，以提升系統(tǒng)性能。

（6）非授權(quán)頻段全雙工D2D通信資源分配

非授權(quán)頻譜是開放性的資源，允許任何無線接入技術(shù)使用；而D2D通信用戶通信距離短，發(fā)射功率小，從而干擾也少，因此易與其他部署在免授權(quán)頻段的無線接入系統(tǒng)（如 Wi-Fi系統(tǒng)）公平共存。目前全雙工D2D通信的研究主要集中在授權(quán)頻段上，而非授權(quán)頻段的研究主要集中在MAC層機制，因此關(guān)于非授權(quán)頻段的全雙工D2D通信的資源分配需要進一步研究。

（7）全雙工D2D通信的安全機制

基于全雙工D2D中繼通信，小區(qū)邊緣或者與處于深度衰落狀態(tài)的用戶可以通過周圍用戶的中繼接入網(wǎng)絡(luò)，從而提升用戶服務(wù)體驗。然而通過中繼傳輸，源節(jié)點發(fā)送的信息要交付給中繼節(jié)點，面臨信息泄露風(fēng)險。特別是當(dāng)中繼節(jié)點不可信時，信息安全問題更加突出。目前全雙工D2D中繼通信中關(guān)于如何確保用戶數(shù)據(jù)安全的研究較少，值得進一步研究。

5 結(jié)束語

全雙工 D2D通信技術(shù)可以為用戶提供高速率、低功耗、低時延的近距離通信服務(wù)，提高系統(tǒng)頻譜效率和能量效率，減輕基站的負載，降低運營商的運行成本，對于實現(xiàn)5G系統(tǒng)具有重要意義。然而全雙工D2D通信也給蜂窩系統(tǒng)帶來了更復(fù)雜的電磁環(huán)境，增加了網(wǎng)絡(luò)資源管理優(yōu)化的難度。本文綜述了全雙工D2D通信資源分配方面的研究現(xiàn)狀和存在問題，同時探討了全雙工D2D通信的未來研究方向，相信隨著5G標準化進程的加快，全雙工D2D通信的研究將更加深入并在不久的將來成為現(xiàn)實。

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